12.přednáška Systémy xDSL - rozbor vlastností a aplikací Ing. Bc. Ivan Pravda
1
Systémy xDSL – přehled -
efektivnější využití metalických dvoudrátových vedení v přístupových sítích Þ Þ využití existujících telefonních vedení pro vyšší přenosové rychlosti
-
technologie xDSL (Digital Subscriber Line) → na rozdíl od telefonních modemů řeší přenos pouze do místa nejbližší telefonní ústředny, kde musí být k dispozici přístup do datové sítě
-
společným znakem digitálních účastnických přípojek (DSL) je relativně vysoká přenosová rychlost dosahující řádově až desítek Mbit/s
-
do skupiny systémů xDSL patří: -
IDSL (ISDN DSL) HDSL (High-bit-rate DSL) → HDSL 2 SDSL (Symmetrical DSL) SHDSL (Single-pair HDSL) ADSL (Asymmetrical DSL) → ADSL Lite, ADSL, ADSL 2 a ADSL 2+ VDSL (Very-high-bit-rate DSL) → VDSL 2 2
Systémy xDSL – IDSL a HDSL -
IDSL je nejstarším členem xDSL technologií → přenosová rychlost 128 kbit/s bez možnosti změny, k oddělení směrů přenosu se používá metoda EC (Echo Cancellation)
-
použití IDSL je v podstatě omezeno jen na přenos ISDN-BRA → přenos v základním pásmu s použitím čtyřúrovňového linkového kódu 2B1Q
-
výhodou je skutečnost, že se nejedná o vytáčenou službu (Dial-up)
-
HDSL (ITU-T G.991.1) nabízí možnost přenosu obousměrného digitálního toku E1 s rychlostí 2,048 Mbit/s v obou směrech po 2 nebo 3 párech účastnického vedení (symetrické přenosové pásmo) → každé vedení nese dílčí část datového toku (2 páry – polovina, 3 páry – třetina Þ snížení modulační rychlosti), k oddělení směrů přenosu se používá metoda EC (Echo Cancellation)
-
systémy HDSL pracují v základním pásmu a přenášený signál je podroben kódování 2B1Q, tzn. že bitový tok je rozdělen do dvojic bitů a každá dvojice je následně vyjádřena jednou ze čtyř úrovní signálu 3
Systémy xDSL – HDSL a HDSL 2 -
příchozí datový tok je seskupen do tzv. aplikačních rámců, přenášený tok (2,048 Mbit/s) se následně mapuje do tzv. Core Frame (CF), jejichž délka je 144 bytů a doba trvání je 500 ms → dále dojde k doplnění CF rámců o služební a kontrolní bity a rovněž se přidají služební kanály → celkový datový tok naroste na 2,3 Mbit/s a je následně rozdělen do dvou nebo tří směrů a transceivery HDSL vyslán na vedení (při použití dvoupárové varianty je na každém páru realizován přenos rychlostí 1168 kbit/s, při třípárové variantě je to 784 kbit/s
-
přípojky HDSL se nasazují již řadu let, přičemž se s nimi můžeme nejčastěji setkat u připojení pobočkových ústředen a při realizaci pronajatých okruhů
-
nevýhoda spočívající v nutnosti použití dvou nebo tří metalických párů vedla ke vzniku vylepšené verze HDSL → HDSL 2 Þ tato varianta využívá jednoho symetrického páru a modulaci Trellis-Coded Pulse Amplitude Modulation (TC-PAM), přenosové rychlosti jsou shodné jako v případě HDSL 4
Systémy xDSL – SDSL a SHDSL -
SDSL a SHDSL (ITU-T G.991.2) jsou vývojovým pokračováním technologie HDSL → přenos po jednom účastnickém vedení (2-dr.) oběma směry
-
efektivnějšímu využití dvoudrátového vedení přispěla šestnáctistavová pulsně amplitudové modulace (16-PAM) s mřížkovým kódováním (TC) → ze čtyř bitů, které se přenáší v jednom kroku se tři používají pro přenos uživatelské informace a čtvrtý bit je využit pro kontrolu chyb, resp. zabezpečení
-
novou vlastností oproti HDSL je možnost pracovat i s nižší přenosovou rychlostí než je maximální → nastavení maximální přenosové rychlosti je možno provést automaticky při sestavování spojení v závislosti na parametrech přenosového vedení nebo je možno ji ručně nastavit dle konkrétních požadavků zákazníka → možné rozpětí rychlostí se pohybuje mezi 192 kbit/s až 2,312 Mbit/s v krocích po 64 kbit/s (příp. 8 kbit/s)
-
u systémů SDSL a SHDSL se již předpokládá možnost přenosu více úzkopásmových kanálů 5
Systémy xDSL – SDSL a SHDSL -
pro snížení přeslechového rušení do sousedních párů nastavují modemy SHDSL vysílací úroveň podle parametrů vedení na nejnižší přijatelnou hodnotu pro dosažení dostatečného odstupu užitečného signálu od šumu
-
u systémů SDSL je možný provoz s časovým dělením kanálů (TDM) ale i provoz ATM nebo TCP/IP → může existovat i smíšený provoz, lze např. přenášet úzkopásmové kanály TDM a datový kanál v ATM
-
v masivním nasazení těchto technologií brání fakt, že každá z firem vyvíjí svůj vlastní systém → nekompatibilita mezi systémy různých výrobců
-
tyto technologie však nepodporují současnou koexistenci s analogovou či digitální telefonní přípojkou Þ neumožňují na jednom účastnickém dvoudrátovém vedení současný přenos hovorového signálu v telefonním kanálu a vysokorychlostních datových kanálů
-
koexistenci telefonních přípojek s vysokorychlostními datovými kanály umožňuje až technologie ADSL 6
Systémy xDSL – ADSL - charakteristika -
systémy ADSL umožňují na jednom účastnickém vedení koexistenci analogové telefonní přípojky (varianta Annex A) zajišťující službu POTS (Plain Old Telephone Service) → ADSL over POTS, resp. přípojky ISDN-BRA (varianta Annex B) → ADSL over ISDN s vysokorychlostními datovými kanály
-
směrem od účastníka lze dosáhnout přenosové rychlosti až 1 Mbit/s, opačným směrem až 8 Mbit/s (2.generace ADSL 2 až 12 Mbit/s, ADSL 2+ až 24 Mbit/s) pomocí modulace s více nosnými DMT (Discrete Multi-Tone)
-
tato asymetrie přenosových rychlostí vychází ze samotného charakteru širokopásmových služeb, jako je rychlý přístup do sítě Internet nebo video na přání (Video-on-demand), kdy je zapotřebí přenášet větší objemy dat směrem k účastníkovi
-
pro zajištění kmitočtového oddělení telefonního kanálu a vysokorychlostních datových kanálů je nutné, s výjimkou varianty ADSL Lite (splitterless), instalovat na obou stranách účastnického metalického vedení tzv. rozbočovače (splitter) 7
Systémy xDSL – ADSL – konfigurace přípojky
-
vysokorychlostní přenos digitálních signálů ADSL zajišťují ADSL modemy: -
-
ATU-R (ADSL Termination Unit – Remote) na straně účastníka ATU-C (ADSL Termination Unit – Central) na straně poskytovatele
modem na straně ústředny (ATU-C) je nejčastěji součástí účastnického multiplexoru DSLAM (DSL Access Multiplexor), který soustřeďuje digitální toky od všech přípojek v dané lokalitě 8
Systémy xDSL – ADSL - charakteristika -
přípojka ADSL se vyskytuje v několika různých variantách a podle vlastností vedení, na kterém se provozuje, může dosahovat různých parametrů
-
frekvenční pásmo 0 až 1,104 MHz je pro účely modulace DMT s mnoha nosnými rozděleno do 256 subkanálů s kanálovou roztečí 4,3125 kHz
-
spodní část spektra je však využita pro telefonní kanál nebo kanál ISDN-BRA Þ subkanály obsazené těmito signály se proto nevyužívají
-
základní dělení frekvenčního spektra ADSL je na následujícím obrázku, kde jsou též vyznačeny základní varianty
-
zásadní rozdíl mezi plnou variantou podle doporučení ITU-T G.992.1 a redukovanou verzí Lite podle doporučení ITU-T G.992.2 zvanou též splitterless je v celkové šířce využívaného kmitočtového pásma → zatímco plná varianta ADSL pracuje až do 1,104 MHz (ADSL2+ až do 2,208 MHz), zjednodušená varianta vystačí s poloviční šířkou pásma do 552 kHz (využití jen 128 nosných) Þ nižší dosahované přenosové rychlosti v sestupném směru (downstream) 9
Systémy xDSL – ADSL – kmitočtové pásmo
-
pro vyřešení přenosu datových toků v obou směrech na jednom vedení se používá metoda frekvenčního dělení FDD (Frequency Division Duplex) s vyhrazenými pásmy s dělícím kmitočtem 138 kHz, nebo metoda potlačení ozvěny EC (Echo Cancellation), která umožňuje překrývání pásem obou přenosových směrů → rozšíření downstreamu 10
Systémy xDSL – ADSL – metody přenosu -
pro vytvoření dvou nezávislých informačních kanálů se tedy v modemech ADSL používá jeden z těchto dvou způsobů: -
frekvenční dělení FDD (Frequency Division Duplex) -
-
-
v tomto případě je všem kanálům přiděleno vlastní frekvenční pásmo → pro upstream se v praxi (při současném provozu s POTS) využívá frekvenční pásmo 25,875 až 138 kHz a pro downstream pásmo 138 až 1104 kHz výhoda tohoto řešení spočívá v jednoduché implementaci do systému, naopak nevýhoda je v méně efektivním využití kmitočtového spektra
metoda potlačení ozvěny EC (Echo Cancellation) -
pro využití výhod menšího útlumu kabelu na nižších kmitočtech je výhodné umožnit vzájemné překrývání se spekter obou kanálů → k jejich následnému oddělení dochází na tzv. vidlici. Kompenzátor ozvěn odstraní nežádoucí signály pronikající (především vlivem nevyvážení vidlice) vysílací části přes vidlici do přijímacích obvodů. Tento způsob oddělení kanálů je složitější, ale na druhou stranu přináší rozšíření frekvenčního pásma zpětného kanálu 11
Systémy xDSL – ADSL – modulace DMT -
podle doporučení ITU-T G.992.1 je standardem pro použití ve spojitosti s ADSL diskrétní vícetónová modulace (DMT)
-
princip DMT představuje rozdělení frekvenčního pásma na 256 paralelních subpásem o nominální šířce 4,3125 kHz → jednotlivým takto vytvořeným dílčím kanálům je přiřazen určitý počet bitů bi, který může být navzájem rozdílný podle přenosových vlastností daného subkanálu → v tomto ohledu je směrodatným parametrem odstup signálu od šumu (SNR), který musí být dostatečně velký, aby umožnil přenos s garantovanou hodnotou bitové chybovosti (BER), jenž byla stanovena na hodnotu 10-7 → v každém dílčím kanále je pak signál zpracován kvadraturní amplitudovou modulací (QAM)
-
v extrémním případě, pokud je v nějakém frekvenčním pásmu výrazný zdroj rušení, může dojít dokonce i k vynechání určitého subkanálu
-
tato varianta, jež umožňuje provádět změnu přenosové rychlosti bývá označována jako RADSL (Rate-adaptive ADSL) 12
Systémy xDSL – ADSL – zpracování signálu -
ADSL modem provádí vedle vlastní modulace DMT řadu dalších operací se signálem, než je signál vyslán na vedení → snahou je maximum funkcí realizovat digitálně pomocí signálových procesorů
-
zpracování signálu: -
-
příchozí data jsou nejprve sestavena do rámce ADSL, vybavena CRC pro detekci chyb, skramblována a zabezpečena v bloku FEC (Forward Error Correction) pro následnou korekci chyb v přijímači jednotlivé bity z ADSL rámce jsou následně rozděleny do subbloků a přiřazeny k jednotlivým nosným v subkanálech → pro zajištění detekce stavů při mnohastavové modulaci (DMT) se provádí mřížkové kódování (TC) → v DMT modulátoru se pro každý subkanál provádí kvadraturní amplitudová modulace (QAM) tak, že se pro kombinaci přenášených bitů vypočte stav reprezentovaný komplexním číslem → na každou nosnou lze přiřadit 2 až 15 bitů, čemuž odpovídá až 215 (32768) stavů QAM (viz konstelační diagram) → při modulační rychlosti 4 kBd může dosáhnout přenosová rychlost až 60 kbit/s na subkanál → z frekvenční oblasti se signál převede do časové oblasti na sled vzorků 13
Systémy xDSL – blokové schéma modemu ADSL
-
princip a blokové schéma DMT modulátoru a demodulátoru viz přednáška č.11 (Telefonní přístroje, modulační metody a telefonní modemy)
-
princip a blokové schéma metody EC (Echo Cancellation) viz přednáška č.7 (Sítě ISDN – přepojování okruhů, typy přípojek, přenos dat)
-
skrambler a deskrambler → využití logické operace XOR a principu posuvného registru → zabezpečení pseudonáhodnou posloupností 14
Systémy xDSL – význam operace skramblování
-
-
datové skramblery, resp. (deskramblery) jsou nutné proto, aby byla zajištěna nezávislost posloupnosti výstupních dat (dat přenášených po vedení) a vstupních dat → skramblováním se odstraňují dlouhé sekvence stejných symbolů, které by mohli vést k existenci stejnosměrné složky v přenosovém spektru (nežádoucí stav) skrambler transformuje přicházející datové sekvence na pseudonáhodné sekvence dat skramblery, resp. deskramblery se používají na sériový datový tok bez jakéhokoliv vztahu k vytváření struktury rámců nebo symbolové synchronizaci 15
Systémy xDSL – struktura sítě
-
přenos dat z účastnického modemu k poskytovateli služeb je u ADSL obvykle řešen prostřednictvím protokolu PPP (Point-to-Point Protocol) a sdružovací architektury PTA (PPP Terminated Aggregation) 16
Systémy xDSL – struktura sítě -
přístupová síť od multiplexorů DSLAM ke směrovači PTA (širokopásmový server) je založená na technologii ATM a používá protokolovou strukturu PPP over ATM (PPPoA), PPP over Ethernet (PPPoE)
-
spojení PPP je ukončeno u poskytovatele připojení v serveru PTA, který zajišťuje: -
-
-
konfiguraci IP adres autentifikaci uživatele autorizace a účtování pomocí protokolu RADIUS
důležitým místem je tzv. agregační bod mezi serverem PTA a páteřní sítí, řešenou např. technologií MPLS s hraničními směrovači (PE) → zde dochází ke koncentraci datových toků koncentrace je dána tzv. agregačním poměrem, který vyjadřuje, kolikrát je nižší přenosová rychlost agregovaného toku oproti součtu smluvních přenosových rychlostí všech účastníků připojených k danému agregačnímu bodu 17
Systémy xDSL – struktura sítě -
-
-
-
agregace se provádí separátně pro účastníky každého poskytovatele ISP a odděleně pro skupinu účastníků s agregačním poměrem např. 1:50 či 1:20 pro domácí uživatele agregačním poměr je stanoven s ohledem na slučování toků od velkého množství účastníků využívajících primárně běžné webové služby, z nichž určitá část není v daném čase aktivní (nevyužívají datový spoj) a podstatná část přenosu dat vykazuje dávkový charakter (sítě paketového typu) každý poskytovatel připojení k Internetu (ISP – Internet Service Provider), využívající přístupovou síť ADSL, má tak k dispozici pro každý agregační bod celkovou přenosovou rychlost, která odpovídá součtu přístupových přenosových rychlostí přípojky ADSL účastníků připojených k danému agregačnímu bodu dělenou agregačním poměrem pro každého poskytovatele ISP je zřízena v rámci MPLS sítě nezávislá privátní síť (VPN – Virtual Private Network), do níž má přístup v přístupovém bodě (AP) 18
Systémy xDSL – struktura sítě -
-
-
-
„spravedlivé přidělování prostředků sítě“ účastníkům se provádí pomocí pravidel (Fair User Policy), v nejjednodušším případě např. zavedením objemových limitů na přenesená data za určité období, případně rozlišením provozu vyššími vrstvami RM-OSI (TCP/IP) architekturu sítě využívající technologii ADSL je možné podstatně zjednodušit, pokud se nepožaduje široká škála služeb od různých poskytovatelů připojení NSP (Network Service Provider) → typicky se jedná o vysokorychlostní připojení k Internetu k danému ISP nebo řešení v podnikových sítích při přenosu se používá přímo IP protokol bez nutnosti protokolu PPP a roli koncentrátoru DSLAM plní Ethernet přepínač (switch) s možností vytvářet virtuální sítě VLAN pro rozvody datové sítě je možné využít existující telefonní kabeláž, původní telefonní přípojky zajišťované pobočkovou ústřednou jsou zachovány → ADSL Ethernet přepínač spolu s ADSL modemy zajistí vzdálené připojení sítí LAN k místnímu serveru a k páteřnímu směrovači 19
Systémy xDSL – struktura sítě ADSL
20
Systémy xDSL – VDSL -
-
-
VDSL technologie je učena pro připojení posledního úseku účastnického vedení (First Mile) v délce 0,3 až 1,5 km vysokorychlostní datový tok z ústředny určený skupině účastníků je přiveden optickým kabelem do rozvaděče (uspořádání sítě FTTC – Fiber To The Curb), odkud se distribuuje k jednotlivým účastníkům po metalickém vedení rozšířením spektra do 12 MHz oproti ADSL (VDSL 2 (až 30 MHz)) se dosahuje přenosové rychlosti až 52 Mbit/s směrem k účastníkovi (100 Mbit/s u VDSL 2) a až 6,4 Mbit/s v opačném směru při nesymetrickém provozu → → princip činnosti VDSL modemu s modulací DMT je obdobný jako u ADSL při symetrickém režimu provozu je počítáno s rychlostí do 34 Mbit/s v obou směrech pro vytvoření nezávislých informačních kanálů se používá frekvenčního multiplexu (FDM), při němž jsou obě přenosová pásma frekvenčně oddělena → je nutné brát v úvahu i množství nově se objevujících problémů na vedeních, která nebyla konstruována pro přenos takto vysokých kmitočtů 21
Systémy xDSL – shrnutí parametrů xDSL Označení
Typ provozu
Rychlost (Up/Down) [Mbit/s]
Frekvenční pásmo [kHz]
Použitá modulace, kódování
Metoda duplexního přenosu
Dosah [km]
DSL (IDSL)
symetrický, duplexní
0,128/0,128
0 až 50
2B1Q
EC
cca 6
HDSL
symetrický, duplexní
2/2
40 až 292
2B1Q
EC
2 až 3
SDSL SHDSL
symetrický, duplexní
2,3/2,3
0 až 384
2B1Q 16-PAM
EC
2 až 5 3 až 6
ADSL Lite
asymetrický
0,5/1,5
25 až 138 138 až 552
DMT, CAP
FDD, EC
cca 7
ADSL ADSL 2 (ADSL 2+)
asymetrický
1/8 1/12 (1/24)
25 až 138 138 až 1104 (138 až 2208)
DMT, QAM, CAP
FDD, EC
cca 8 cca 8 (cca 3)
VDSL
asymetrický, symetrický, duplexní
6,4/52 34/34
300 až 900 1200 až 30000
QAM, DMT, CAP, DWMT
FDD
0,3 až 1,5 22
Systémy xDSL a Ethernet -
-
-
fyzickou vrstvu převzatou od xDSL používá i nově standardizovaná varianta Ethernetu (IEEE 802.3ah) označovaná EFM (Ethernet in the First Mile) byly vytvořeny dvě varianty pro metalická vedení EFMC (Ethernet in the First Mile Copper): pro větší vzdálenosti LR (Long Range) se používá technologie SHDSL a rozhraní s označením 2BASE-TL s rychlostmi 2 až 5,696 Mbit/s na vzdálenost do 2,7 km pro kratší vzdálenosti SR (Short Range) se používá technologie VDSL a rozhraní s označením 10BASE-TS s rychlostmi přenosu 10 až 100 Mbit/s na vzdálenost do 750 m pro vyšší rychlosti lze použít inverzní multiplex zahrnující až 32 vedení, mezi které se rozloží datový tok → vrstva Ethernetu (MAC) pak musí zvládnout dynamické přidělování párů (fyzické podvrstvy) a změnu rychlosti za provozu předpokládaný vývoj nasazení Ethernetu nastiňuje následující obrázek 23
Systémy xDSL – vývoj od DSL k Ethernetu
24
Očekávaný rozvoj plně ethernetových služeb -
z předchozího obrázku je zřejmé, že Ethernet se jednak bude postupně prosazovat i v druhé míli a optika se postupně bude dostávat do přístupové sítě a pozvolna nahrazovat metalická vedení a xDSL Ethernet v první míli bude určen pro širokopásmové služby jak pro podnikové, tak pro domácí uživatele řešení navazující na nejrozšířenější a nejúspěšnější lokální síť má velkou naději na rychlé rozšíření, protože nabízí:
-
-
známou a jednoduchou technologii dostatečnou šířku pásma snadnou rozšiřitelnost snadnou instalaci a dodání služeb
nasazování systémů EFM nejprve prostřednictvím přípojek DSL → později s protažením optiky do přístupové sítě přímo prostřednictvím optických přípojek 25
